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Die Vorrichtung bezieht sich auf eine kollimierte
Anzeigevorrichtung mit einem von der Achse abweichenden sphärischen
Spiegel für einen Simulator.
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Bei den meisten kollimierten Anzeigevorrichtungen mit einem
von der Achse abweichenden sphärischen Spiegel für einen
Simulator mit einem großen Anzeigewinkel, insbesondere in der
horizontalen Richtung, wird das künstliche Bild auf die
konkave Seite eines matten Bildschirmes projiziert, der auf der
Fokuskugel des sphärischen Spiegels angeordnet ist. Die
Lichtausbeute des Bildschirmes beträgt ungefähr 30 bis 40%,
was zum Erzielen von kontrastreichen und realistischen
angezeigten Bildern als unzureichend betrachtet werden kann,
insbesondere im Falle einer Anzeige mit einem sehr großen
Winkel (wenigstens 180º in der horizontalen Richtung und
über 40º in der vertikalen Richtung), bei der die zu
beleuchtende Fläche sehr groß ist.
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Es sind Anzeigevorrichtungen für Simulatoren bekannt, bei
denen die Lichtausbeute höher ist, z. B. aus der
Veröffentlichung US-A-4 348 187, jedoch ist das horizontale und
vertikale Sehfeld sehr begrenzt. Außerdem ist es aufgrund der
Konfiguration der optischen Elemente unmöglich, das
horizontale Sehfeld zu vergrößern.
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Es sind auch Vorrichtungen bekannt, z.B. die in der in den
Prioritätszeitraum fallenden Veröffentlichung EP-A-461 942
(Stand der Technik gemäß Artikel 54(3) des EPÜ)
beschriebene, bei denen an dem Helm des Simulatorbenutzers der
Bildschirm mit hoher Ausbeute befestigt ist, um einen
interessierenden Bereich anzuzeigen. Diese bekannten Vorrichtungen
sind einem sphärischen Bildschirm zugeordnet, um eine
Anzeige mit sehr großem Winkel und einer geringen Auflösung sowie
einer noch geringeren Lichtausbeute zu haben.
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Die vorliegende Erfindung hat eine kollimierte
Anzeigevorrichtung der oben genannten Art zum Ziel, deren
Lichtausbeute deutlicher höher ist als die der bekannten
Vorrichtungen, ohne daß diese deshalb teurer wird.
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Die kollimierte Anzeigevorrichtung der Erfindung ist eine
Projektionsvorrichtung, die mit einem von der Achse
abweichenden sphärischen Spiegel um eine Simulatorkabine herum
sowie mit einem sphärischen Bildschirm zusammenwirkt, der
auf der Fokuskugel des Spiegels angeordnet ist, wobei die
Projektionsvorrichtung die dem Spiegel gegenüberliegende
Seite des Bildschirmes beleuchtet, wobei diese Seite des
Bildschirmes vorteilhafterweise seine konvexe Seite ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die
Projektionsvorrichtung ungefähr oberhalb des Beobachters befestigt
und beleuchtet einen oberhalb des sphärischen Spiegels
angeordneten Hilfsspiegel. Vorteilhafterweise ist der
Hilfsspiegel die Verlängerung des sphärischen Spiegels.
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Die vorliegende Erfindung wird besser durch das Lesen der
ausführlichen Beschreibung mehrerer Ausführungsformen
verstanden, die als nicht einschränkende Beispiele gewählt sind
und von den beigefügten Zeichnungen erläutert werden. In
diesen zeigen:
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- Fig. 1 ein vereinfachtes Schema einer Anzeigevorrichtung
des Standes der Technik;
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- Fig. 2 ein vereinfaches Schema einer Anzeigevorrichtung
gemäß der Erfindung;
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- Fig. 3 ein Schema einer ersten Ausführungsform einer
Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung; und
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- die Figuren 4 und 5 Schemata in der Seitenansicht bzw. in
der Draufsicht einer zweiten Ausführungsform einer
Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf einen
Zivilflugzeugsimulator beschrieben, sie ist jedoch
selbstverständlich nicht auf eine solche Anwendung beschränkt, und
sie kann in jedem Projektionssystem mit sehr großem Winkel
verwendet werden, z.B. in einem Simulator oder einem
beliebigen Gerät, welches eine Projektionsvorrichtung benötigt.
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Die vereinfacht in Fig. 1 dargestellte Anzeigevorrichtung
enthält eine Projektionsvorrichtung 1, im allgemeinen mit
drei Projektoren, die im wesentlichen oberhalb der Kabine 2
angeordnet ist, in welcher der den Simulator verwendende
Beobachter Platz nimmt. Die Projektionsvorrichtung 1
beleuchtet die konkave Seite eines transparenten sphärischen
Zerstreuungsbildschirmes 3. Das auf der konvexen Seite des
Bildschirmes 3 gebildete Bild wird vom Spiegel 4 zum Auge 5
des Beobachters zurückgeworfen. Die Lichtausbeute einer
solchen Vorrichtung ist sehr gering aufgrund der Tatsache, daß
ein nicht vernachlässigbarer Teil des Lichtstroms zur
Projektionsvorrichtung zurückgeworfen wird und daß der
Bildschirm nicht mit einer Richtcharakteristik versehen werden
kann.
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Die vereinfacht in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung der
Erfindung ermöglicht, die Lichtausbeute wesentlich zu erhöhen.
In dieser Fig. 2 sind zu Elementen von Fig. 1 gleiche
Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Gemäß der
Erfindung ist der sphärische Spiegel 3' lichtundurchlässig,
und er ist auf seiner konvexen Seite (die zum Spiegel 4
gerichtete Seite) reflektierend. Die konvexe Seite des
Spiegels 3' wird von der Projektionsvorrichtung 6 beleuchtet. Es
ist vom optischen Standpunkt gesehen selbstverständlich
nicht unmöglich, die Projektionsvorrichtung gegenüber der
konvexen Seite des Bildschirmes 3' anzuordnen, dies zieht
jedoch einen voluminösen Befestigungsträger der
Projektionsvorrichtung mit einem langen Hebelarm nach sich, an dessen
Ende die große Masse der Projektionsvorrichtung (eine Masse
von wenigstens mehreren hundert Kilogramm) befestigt wird.
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Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist die
Projektionsvorrichtung oberhalb der Kabine befestigt, und sie
beleuchtet einen Hilfsspiegel, der oberhalb des Spiegels
angeordnet ist, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Figuren 3 bis 5 beschrieben.
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Da der Bildschirm 3 als Reflektor verwendet wird, da er
immer die Lichtbündel der Projektionsvorrichtung zum
sphärischen Spiegel 4 reflektiert und da alle diese Elemente
aneinander befestigt sind, verwendet man vorteilhafterweise
einen Bildschirm mit "Verstärkung", also einen Bildschirm
mit bevorzugter Reflexionsrichtung, was insbesondere im
Falle eines Simulators mit einem einzigen Benutzer möglich ist
und ermöglicht, die Lichtstärke der Anzeigevorrichtung
weiter zu erhöhen.
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In Fig. 3 ist eine erste Ausführungsform der
Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Die
Projektionsvorrichtung 7 ist an einem Träger 8 befestigt, der wiederum an
der Kabine 9 des Simulators bezüglich des Mittelpunktes 11
des sphärischen Spiegels 12 in einer zum Auge 10 des
Benutzers im wesentlichen symmetrischen Position befestigt ist.
Der sphärische Bildschirm 13 ist unterhalb der
Projektionsvorrichtung 7 angeordnet. Man befestigt direkt oberhalb des
sphärischen Spiegels 12 einen zylindrischen oder sphärischen
oder ebenen Spiegel 14. In dem Fall, daß der Spiegel 14
sphärisch ist, kann er vorteilhafterweise die Fortsetzung
des sphärischen Spiegels 12 in der Weise sein, daß die
Lichtbündel der Projektionsvorrichtung 7 zum Bildschirm 13,
dann zum sphärischen Spiegel 12 und schließlich zum Auge 10
des Benutzers zurückgeworfen werden.
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Die Anzeigevorrichtung von Fig. 3 erfordert, daß die Optik
der Projektionsvorrichtung 7 modifiziert wird, um die
Projektion auf die konvexe Fläche des Bildschirmes 13 zu
gewährleisten.
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In den Figuren 4 und 5 ist eine weitere Anzeigevorrichtung
gemäß der Erfindung dargestellt. Zu Elementen von Fig. 3
gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Der Hauptunterschied liegt in der Tatsache, daß die
Projektionsvorrichtung 7 bezüglich des Mittelpunktes C des
sphärischen Spiegels 15 in einer zum Auge 10 des Benutzers
symmetrischen Position befestigt ist. Der obere Teil des
Spiegels 15 wird direkt von der Projektionsvorrichtung 7
beleuchtet, während sein unterer Teil die vom Bildschirm 13
reflektierten Bündel empfängt.
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Die Projektionsvorrichtung 7 ist so eingestellt, daß sie ein
im Unendlichen liegendes Bild bildet.
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In Fig. 4 ist in gestrichelten Linien die hintere
Extremposition der Anzeigevorrichtung dargestellt, die um eine
fiktive horizontale Achse geschwenkt wurde, welche senkrecht
zur Ebene der Figur liegt und durch den Beobachtungspunkt 10
führt. Ein solches Schwenken der gesamten Anzeigevorrichtung
ermöglicht, das vertikale Sehfeld des Benutzers zu erhöhen.
Dieses vertikale Sehfeld kann auf diese Weise eine Größe von
ungefähr 130º besitzen (-40º bis +90º bezüglich einer durch
den Beobachtungspunkt 10 führenden horizontalen Ebene). Man
kann auch die Anzeigevorrichtungs-Gruppe um eine fiktive
vertikale Achse drehen, die durch den Punkt 10 führt. Das
horizontale Sehfeld kann auf diese Weise eine Größe von
ungefähr 300º besitzen. Diese beiden Drehungen der
Anzeigevorrichtungs-Gruppe können in einer an sich bekannten Weise von
den Bewegungen des Kopfes des Benutzers gesteuert sein. Man
erhält auf diese Weise eine Kombination eines kollimierten
Bildes und eines interessanten Bereiches, die von der
Position des Kopfes des Benutzers gesteuert ist, was für den
Benutzer realistischer ist, der auf diese Weise den Eindruck
einer Bildtiefe hat. Die Angezeigevorrichtung ermöglicht auf
diese Weise, einem Benutzer, z. B. einem Flugzeugpiloten,
quasi das gesamte reelle Sehfeld anzubieten.
Selbstverständlich kann auch die Anzeigevorrichtung von Fig. 3 in gleicher
Weise wie die Vorrichtung von Fig. 4 vertikal und/oder
horizontal gedreht werden.
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Die Projektionsvorrichtung 7 kann von jedem geeigneten Typ
sein, insbesondere vom Typ mit drei Projektoren 7A, 7B, 7C,
wie in der Zeichnung dargestellt. Wie in Fig. 5 dargestellt,
kann man die Außenprojektoren 7A, 7C an den Mittelprojektor
7B heranrücken, und man kann Umlenkspiegel 7.1, 7.2
verwenden. Diese Umlenkspiegel sind vertikal so angeordnet, daß
jeder Projektor ungefähr 1/3 des horizontalen Feldes
beleuchtet (horizontale Felder CA, CB, CC für die Projektoren
7A bzw. 7B bzw. 7C). Die Projektoren können LCD-Projektoren
sein, Projektoren mit einer lichtstarken Röhre, etc. ...
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Aufgrund der Tatsache, daß der Winkel der vom Bildschirm 13
reflektierten Strahlen gleich ihrem Einfallswinkel ist sowie
für den Fall, daß der Simulator für einen einzigen
Beobachter ausgelegt ist, kann der Bildschirm 13 ein Bildschirm mit
"hoher Verstärkung" sein, z. B. mit einer metallischen
Beschichtung, der in der Reflexionsrichtung einen
Lichtverstärkungsfaktor von ungefähr 3 bis 5 besitzt. Der
Durchmesser dieses Bildschirmes kann vorteilhafterweise in der
Größenordnung von 1,25 bis 1,5 m, sein vertikales Feld bei
ungefähr 60 bis 80º und sein horizontales Feld bei ungefähr
180º oder mehr liegen.
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Die Verwendung eines Bildschirmes mit Verstärkung ermöglicht
im Vergleich zu der Lösung des Standes der Technik mit einem
matten Bildschirm das Multiplizieren der Lichtstärke des vom
Beobachter betrachteten Bildes mit ungefähr 9 bis 15.
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Die Spiegel 12 und 14 oder der Spiegel 15 können
vorteilhafterweise aus Verbundkunststoffschichten gebildet sein, was
den Vorteil besitzt, daß sie leicht sind. Ihr Radius kann in
der Größenordnung von 2,5 bis 3 m für den Spiegel 15 und 3 m
bis 3,7 m für die Spiegel 12 und 14 liegen, und ihr
horizontales Feld kann 180º und mehr betragen. Für den Spiegel 12
kann das vertikale Feld ungefähr 40 bis 50º betragen, und
der zylindrische Spiegel 14 weist ein horizontales Feld von
ebenfalls ungefähr 180º sowie ein vertikales Feld von
ungefähr 20 bis 25º auf. In der Vorrichtung von Fig. 4 weist der
Spiegel 15 ein vertikales Gesamtfeld von ungefähr 110 bis
150º auf (bezüglich einer durch den Beobachtungspunkt 10
führenden horizontalen Ebene), wobei das vom Beobachter
gesehene vertikale Feld ungefähr 60 bis 80º (unterer Teil des
Spiegels) und das von der Projektionsvorrichtung 7
beleuchtete vertikale Feld ungefähr 60 bis 80º beträgt. Diese
Vergrößerung des vertikalen Feldes ist aufgrund der Tatsache
möglich, daß die vom sphärischen Bildschirm reflektierten
Strahlen bezüglich der Senkrechten zum Bildschirm in ihrem
Auftreffpunkt auf diesen Bildschirm sehr schräg einfallen
können, ohne daß ein merklicher Lichtverlust des vom
Beobachter betrachteten Bildes auftritt. Für den Fall, daß es
nur einen Beobachter gibt, dessen Auge in der Nähe des
sphärischen Spiegels ist, kann das vertikale Feld die größten
oben genannten Werte annehmen, da in diesem Falle die
Kollimationsfehler und die "Dipvergenzen" im Vergleich zu denen
einer herkömmlichen Anzeigevorrichtung mit großem Winkel und
zwei Beobachtern vermindert sind.
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Selbstverständlich muß die Optik der Projektoren in der Lage
sein, die Aberrationen der Sphärizität und den Astigmatismus
des von der gemäß der Erfindung angeordneten
Projektionsvorrichtung beleuchteten sphärischen Spiegels zu korrigieren.